УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ Российский патент 2005 года по МПК G04F10/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технике измерения интервалов времени, например времени задержки одного импульса относительно другого.

Уровень техники

Для измерения интервалов времени применяются устройства, принцип действия которых основан на подсчете числа импульсов стабильной частоты, выработанных в течение измеряемого интервала времени. Общеизвестно устройство для измерения интервала времени [1], включающее опорный генератор импульсов, нагруженный на один вход элемента И, другой вход которого связан с выходом триггера, а выход подключен к входу счетчика импульсов. Входы триггера при этом являются входами сигналов начала и окончания измеряемого интервала. В течение измеряемого интервала t_X при частоте импульсов опорного генератора f_O на счетчик импульсов поступает N_X=f_Ot_X импульсов, то есть результат измерения в цифровом виде пропорционален значению измеряемого интервала времени. Такое устройство способно измерять однократные интервалы времени и отличается высокой производительностью, так как момент образования результата совпадает с моментом окончания измеряемого интервала времени. Однако точность известного устройства ограничена шагом квантования времени, равным периоду импульсов опорного генератора.

Известно устройство для измерения интервала времени [2], включающее, кроме последовательно соединенных опорного генератора импульсов, элемента И и счетчика импульсов, а также триггера, выходом соединенного с оставшимся входом элемента И, последовательную цепь элементов задержки, подключенную к выходу опорного генератора импульсов. Выходы всех элементов задержки через соответствующие дополнительные элементы И, вторые входы которых подключены к выходу триггера, и соответствующие триггеры присоединены к входам шифратора. На выходах шифратора в процессе измерения образуются значения младших разрядов результата измерения. В данном устройстве с помощью последовательной цепи элементов задержки образована субшкала отсчета времени с меньшим шагом квантования времени, за счет чего повышается точность измерения интервала времени. Однако данный аналог имеет погрешность, связанную со старт-стопным режимом работы опорного генератора. В таком режиме не может работать точный кварцевый генератор, а в релаксационном генераторе трудно обеспечить высокую точность и стабильность опорной частоты. Дополнительную погрешность вносят элементы задержки, времена задержки которых могут различаться ввиду технологического разброса.

Известно также устройство для измерения интервала времени, использующее способ нониусной оценки погрешности несовпадения начала и окончания интервала с основными опорными импульсами [3]. Данный аналог содержит основной опорный генератор стабильной частоты и два старт-стопных генератора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Цепи автоподстройки обеспечивают небольшое строго фиксированное отличие частоты обоих старт-стопных генераторов от основной опорной частоты. Благодаря тому, что первый генератор с ФАПЧ запускается в момент начала измеряемого интервала, а второй генератор с ФАПЧ - в момент окончания этого интервала, количество импульсов этих генераторов до их совпадения по фазе с основными опорными импульсами позволяет с высокой точностью определить временное положение моментов начала и окончания интервала внутри периода основных опорных импульсов. Таким образом, данное устройство имеет высокую точность измерения. Однако процесс нониусной оценки занимает много времени уже по окончании измеряемого интервала, что ограничивает функциональные возможности устройства. Другим недостатком этого аналога является его сложность.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для формирования интервала времени [4]. Устройство-прототип содержит мультифазный генератор импульсов, выходами соединенный с соответствующими информационными входами регистра, тактовый вход которого подключен к входному зажиму запускающего сигнала, а выходы - к входам шифратора, а также сумматор и счетчик импульсов. При этом все выходы шифратора и первый выход регистра присоединены к соответствующим входам первого слагаемого сумматора. В устройстве-прототипе имеются также логические узлы для обеспечения формирования интервала времени.

Данное устройство может использоваться для измерения периодически повторяющегося интервала времени по способу уравновешивания, при котором длительность формируемого интервала периодически сравнивается с измеряемым интервалом времени и с помощью цепи обратной связи, включающей реверсивный счетчик импульсов, подстраивается до совпадения с измеряемых интервалом. Состояние выходов реверсивного счетчика импульсов по окончании процесса подстройки отражает длительность измеряемого интервала. При высокой точности измерения такое устройство имеет низкое быстродействие, так как требует многократного повторения измеряемого интервала, что является его недостатком.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является ускорение процесса измерения однократных интервалов времени при сохранении высокой точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что с помощью мультифазного генератора импульсов фиксируется положение моментов начала и окончания измеряемого интервала времени внутри опорного периода, равного периоду мультифазного генератора импульсов, и вычисляется их разность. Импульсы на множестве выходов мультифазного генератора импульсов образуют субшкалу отсчета времени при измерении интервала, которая используется наравне с основной шкалой, образованной опорным периодом.

В соответствии с настоящим изобретением в устройство, содержащее мультифазный генератор импульсов, выходами соединенный с соответствующими информационными входами первого регистра, тактовый вход которого подключен к входному зажиму сигнала окончания измеряемого интервала времени, а выходы - к соответствующим входам первого шифратора, а также сумматор и счетчик импульсов, причем выходы шифратора и первый выход регистра присоединены к соответствующим младшим цифровым входам первого слагаемого сумматора, дополнительно введены соединенный информационными входами с соответствующими выходами мультифазного генератора импульсов второй регистр, у которого выходы присоединены к соответствующим входам второго шифратора, а тактовый вход - к входному зажиму сигнала начала измеряемого интервала времени, а также третий и четвертый регистры, триггер и блок инверторов. При этом первый выход второго регистра и выходы второго шифратора через блок инверторов подключены к соответствующим младшим цифровым входам второго слагаемого сумматора. Старшие цифровые входы второго слагаемого сумматора и его вход переноса подключены к шине логической \единицы\, а старшие цифровые входы первого слагаемого сумматора присоединены к соответствующим выходам третьего регистра, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов. Счетный вход счетчика импульсов подключен к первому выходу мультифазного генератора импульсов, а его вход сброса - к выходу триггера, одним входом соединенного с входным зажимом сигнала начала измеряемого интервала времени. Выходы сумматора подключены к соответствующим информационным входам четвертого регистра, причем выходы четвертого регистра служат выходами устройства для измерения интервала времени. Тактовые входы третьего и четвертого регистров и другой вход триггера присоединены к входному зажиму окончания измеряемого интервала времени.

Перечень фигур чертежей

На чертеже представлена электрическая функциональная схема устройства для измерения интервала времени согласно настоящему изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Показанная на чертеже схема устройства для измерения интервала времени включает мультифазный генератор 1 импульсов, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам одновременно первого 2 и второго 3 регистров, тактовые входы которых присоединены соответственно к входным зажимам 4 и 5 сигналов окончания и начала измеряемого интервала времени. Указанные первый 2 и второй 3 регистры нагружены на первый 6 и второй 7 шифраторы соответственно. Выходы первого шифратора 6 и первый выход первого регистра 2 подключены к младшим цифровым входам первого слагаемого сумматора 8 непосредственно, а выходы второго шифратора 7 и первый выход второго регистра 3 - к младшим цифровым входам второго слагаемого сумматора 8 через блок 9 инверторов. При этом старшие цифровые входы первого слагаемого сумматора 8 присоединены к соответствующим выходам третьего регистра 10, а старшие цифровые входы второго слагаемого сумматора 8 и его вход переноса - к шине 11 логической \единицы\. Информационные входы третьего регистра 10 соединены с соответствующими выходами счетчика 12 импульсов, у которого счетный вход подключен к первому выходу мультифазного генератора 1 импульсов, а вход сброса - к выходу триггера 13, одним входом присоединенного к входному зажиму 5 сигнала начала измеряемого интервала. Выходы сумматора 8 соединены с информационными входами четвертого регистра 14, выходы которого служат выходами устройства для измерения интервала времени. Тактовые входы третьего 10 и четвертого 14 регистров совместно с другим входом триггера 13 присоединены к входному зажиму 4 сигнала окончания измеряемого интервала времени.

Как и в устройстве-прототипе, мультифазный генератор 1 импульсов может быть выполнен в виде инвертора, охваченного обратной связью через секционированную линию задержки, которой может служить последовательная цепь из 2^n-1 электронных элементов задержки. Выходы указанных элементов задержки образуют множество 2^n-1 выходов мультифазного генератора 1 импульсов с фазовым сдвигом от 0 до π. В процессе генерирования импульсов по секциям такой линии задержки распространяется сначала \волна нулей\, а затем - \волна единиц\. Выходные импульсы имеют форму \меандр\, всего возможно 2ⁿ состояний выходов генератора 1. В процессе распространения \волны нулей\ на первом выходе мультифазного генератора 1 импульсов присутствует уровень логического \0\, а в процессе распространения \волны единиц\ - уровень логической \1\. В предпочтительном варианте исполнения период импульсов мультифазного генератора 1 импульсов стабилизируется известными средствами, например путем фазовой автоподстройки частоты к частоте кварцевого генератора, при этом управляющим входом генератора 1 для перестройки его частоты служат объединенные управляющие входы всех электронных элементов задержки.

Первый 6 и второй 7 шифраторы преобразуют поступающие с выходов регистров 2 и 3 цифровые комбинации вида (m=2^n-1, а а_i - либо 0, либо 1) в двоичное число, указывающее номер позиции в комбинации, где происходит изменение значения бита с 0 на 1 или наоборот. Каждый шифратор можно построить на n элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, входы которых связаны со смежными выходами регистра 2 или 3, причем выходы названных элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключаются к соответствующим входам стандартного шифратора, преобразующего унитарный код вида \1 из 2ⁿ\ в прямой двоичный код.

Устройство для измерения интервала времени работает в следующем порядке.

В исходном состоянии триггер 13 взведен и запрещает работу счетчика 12 импульсов. Мультифазный генератор 1 импульсов непрерывно вырабатывает периодически повторяющиеся импульсы на своих 2^n-1 выходах. Импульс на каждом следующем выходе задержан относительно импульса на предшествующем выходе на величину кванта времени Т₀/2ⁿ, где T₀ - период импульсов на каждом выходе мультифазного генератора 1 импульсов.

В момент поступления фронта импульса на входной зажим 5 сигнала начала измеряемого интервала триггер 13 сбрасывается и счетчик 12 импульсов переходит в рабочий режим. В тот же момент времени во второй регистр 3 записывается двоичный код текущего состояния выходов мультифазного генератора 1 импульсов, который поступает на второй шифратор 7. Логический уровень с первого выхода регистра 3 и логические уровни с выходов шифратора 7 образуют прямой n-разрядный двоичный код, отражающий положение фронта сигнала начала измеряемого интервала внутри основного опорного периода. Этот код блоком 9 инверторов путем поразрядной инверсии преобразуется в обратный код отрицательного числа. Импульсы с первого выхода мультифазного генератора 1 импульсов начинают поступать на счетный вход счетчика 12 импульсов.

В момент поступления фронта импульса на входной зажим 4 сигнала окончания измеряемого интервала триггер 13 возвращается в исходное взведенное состояние, при этом достигнутое счетчиком 12 импульсов состояние переписывается в третий регистр 10, а сам счетчик 12 импульсов обнуляется. В тот же момент времени в первый регистр 2 записывается двоичный код текущего состояния выходов мультифазного генератора 1 импульсов, который поступает на первый шифратор 6. Логический уровень с первого выхода регистра 2 в совокупности с выходными логическими уровнями шифратора 6 образуют прямой n-разрядный двоичный код, отражающий положение фронта сигнала окончания измеряемого интервала внутри основного опорного периода.

На вход первого слагаемого А сумматора 8 поступает N-разрядное число, образованное старшими n₁ разрядами кода с выходов счетчика 12 импульсов, зафиксированного третьим регистром 10, и младшими n₂ разрядами с соответствующих выходов первого регистра 2 и первого шифратора 6. На вход второго слагаемого В сумматора 8 поступает N-разрядное число, образованное старшими n₁ разрядами \1\ с шины 11 логической \единицы\ и младшими n₂ разрядами с соответствующих выходов блока 9 инверторов. Поскольку на вход переноса сумматора 8 также поступает \1\ с шины 11, то сумматор 8 складывает положительное число А с дополнительным кодом отрицательного числа В, то есть осуществляет вычитание числа В из числа А. Результат вычитания всегда положителен, поэтому на выходах сумматора 8 образуется двоичное число, равное разности цифровых значений окончания и начала измеряемого интервала времени в единицах кванта времени T₀/2ⁿ.

По спаду импульса на входном зажиме 4 окончания измеряемого интервала времени четвертый регистр 14 с инверсным динамическим управлением фиксирует двоичное число, получившееся на выходах сумматора 8, как результат измерения интервала времени.

Литература

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т., Т.2. - М.: Мир, 1986, с.372, рис.14.29а.

2. Шляндин В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. - М.: Высшая школа, 1973, с.170, рис.3.20.

3. Чу и Фергюсон. Генераторы импульсов с разрешением 20 пс. - Электроника, 1977, №23, с.25-34, рис.8.

4. Устройство для формирования интервала времени. - Патент РФ №2173934, МПК 7 H 03 К 5/04.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения интервалов времени. Технический результат - повышение быстродействия измерения однократных интервалов времени при сохранении высокой точности измерения. Для достижения данного результата дополнительно введен соединенный информационными входами с соответствующими выходами мультифазного генератора импульсов второй регистр, у которого выходы присоединены к соответствующим входам второго шифратора, а тактовый вход - к входному зажиму сигнала начала измеряемого интервала времени. Также введены третий и четвертый регистры, триггер и блок инверторов. При этом первый выход второго регистра и выходы второго шифратора через блок инверторов подключены к соответствующим младшим цифровым входам второго слагаемого сумматора, старшие цифровые входы второго слагаемого сумматора и его вход переноса подключены к шине логической \единицы\. Старшие цифровые входы первого слагаемого сумматора присоединены к соответствующим выходам третьего регистра, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, счетный вход счетчика импульсов подключен к первому выходу мультифазного генератора импульсов. 1 ил.

Устройство для измерения интервала времени, содержащее мультифазный генератор импульсов, выходами соединенный с соответствующими информационными входами первого регистра, тактовый вход которого подключен к входному зажиму сигнала окончания измеряемого интервала времени, а выходы - к соответствующим входам первого шифратора, а также сумматор и счетчик импульсов, причем выходы шифратора и первый выход регистра присоединены к соответствующим младшим цифровым входам первого слагаемого сумматора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены соединенный информационными входами с соответствующими выходами мультифазного генератора импульсов второй регистр, у которого выходы присоединены к соответствующим входам второго шифратора, а тактовый вход - к входному зажиму сигнала начала измеряемого интервала времени, а также третий и четвертый регистры, триггер и блок инверторов, при этом первый выход второго регистра и выходы второго шифратора через блок инверторов подключены к соответствующим младшим цифровым входам второго слагаемого сумматора, старшие цифровые входы второго слагаемого сумматора и его вход переноса подключены к шине логической \единицы\, а старшие цифровые входы первого слагаемого сумматора присоединены к соответствующим выходам третьего регистра, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, счетный вход счетчика импульсов подключен к первому выходу мультифазного генератора импульсов, а его вход сброса - к выходу триггера, одним входом соединенного с входным зажимом сигнала начала измеряемого интервала времени, выходы сумматора подключены к соответствующим информационным входам четвертого регистра, выходы которого служат выходами устройства для измерения интервала времени, тактовые входы третьего и четвертого регистров и другой вход триггера присоединены к входному зажиму окончания измеряемого интервала времени.